Desert dust interactions with the atmospheric environment

Κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών, η επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων στο κλίμα και στον καιρό έχουν μελετηθεί μέσα από πλήθος εργασιών της διεθνούς επιστημονικής κοινότητας. Η αλληλεπίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων με το ατμοσφαιρικό περιβάλλον σχετίζεται άμεσα με πλήθος μηχανισμών μέσα στην ατμόσφαιρα, οι οποίοι καθιστούν την πρόγνωση του καιρού και τις κλιματικές προσομοιώσεις ιδιαίτερα πολύπλοκες. Πιο συγκεκριμένα, τα αιωρούμενα σωματίδια μεταβάλλουν άμεσα το ισοζύγιο της ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα (direct effect), επιδρούν στο βιοχημικό κύκλο των θαλάσσιων και χερσαίων οικοσυστημάτων και επηρεάζουν την ανθρώπινη υγεία. Επιπλέον, επηρεάζουν τον υδρολογικό κύκλο το σχηματισμό των νεφών (indirect effect) και την κατανομή του υετού.Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της έμμεσης επίδρασης των σωματιδίων της ερημικής σκόνης στο σχηματισμό των νεφών και του υετού, μέσω του πλήρως συζευγμένου μετεωρολογικού – χημικού μοντέλου Weather Research and Forecasting/Chemistry (WRF/Chem). Ως πρώτο βήμα, αξιολογήθηκαν τα τρία σχήματα εκπομπής σκόνης του πακέτου Goddard Global Ozone Chemistry Aerosol Radiation and Transport – GOCART μέσω μιας μελέτης περίπτωσης αμμοθύελλας που εκδηλώθηκε στην περιοχή της Μεσογείου. Το συγκεκριμένο φαινόμενο σχετίζεται με σημαντικές συνθήκες αστάθειας και αγεωστροφικότητας στις περιοχές που θεωρούνται πηγές σκόνης. Πάνω από τις συγκεκριμένες περιοχές παρατηρήθηκε σύγκλιση του πολικού (Polar Jetstream – PJ) και υποτροπικού αεροχειμάρρου (Subtropical Jetstream – STJ), αλλά και αναδίπλωση της τροπόσφαιρας. Τα σχήματα σκόνης τα οποία αξιολογήθηκαν είναι το πρωτότυπο GOCART, το ανανεωμένο GOCART – AFWA από την υπηρεσία καιρού της πολεμικής αεροπορίας των Ηνωμένων Πολιτειών (Air Force Weather Agency - AFWA) και το ανανεωμένο GOCART – UoC από το Πανεπιστήμιο της Κολωνίας (University of Cologne – UoC). Η απόκριση των παραπάνω σχημάτων στα παραπάνω φαινόμενα αξιολογήθηκε μέσω σύγκρισης των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων. To GOCART – AFWA παρουσίασε τους καλύτερους στατιστικούς δείκτες ενώ είχε και την πιο ικανοποιητική χωροχρονική απεικόνιση των συγκεντρώσεων της μεταφερόμενης σκόνης. Επομένως, το GOCART – AFWA είναι και το σχήμα που χρησιμοποιήθηκε περαιτέρω στην εξέλιξη της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Επιπλέον, η μελέτη των μηχανισμών της υγρής εναπόθεσης κυρίως μέσα στην περιοχή των νεφών αποτέλεσε ένα επιπλέον προπαρασκευαστικό βήμα. Το GOCART – AFWA στην πρωτότυπή του μορφή δεν υποστηρίζει κάποιο σχήμα υγρής εναπόθεσης. Επομένως το σχήμα υγρής εναπόθεσης των Seinfeld & Pandis (1998), εισήχθη στο εν λόγω σχήμα, για την περιοχή εντός του νέφους όσο και για την περιοχή κάτω από αυτό. Η υγρή εναπόθεση εντός του νέφους έχει ιδιαίτερη σημασία και λαμβάνει χώρα σε ύψη από 3.5 km και πάνω όπου κυρίως σάρωση των μικρότερων σωματιδίων πραγματοποιείται. Η εισαγωγή ενός σχήματος υγρής εναπόθεσης έχει ιδιαίτερη σημασία κυρίως για την περιοχή εντός του νέφους, αφού τροποποιεί σημαντικά τη συγκέντρωση των σωματιδίων σκόνης που θα δράσουν σαν επιπλέον πυρήνες συμπύκνωσης (Cloud Condensation Nuclei – CCN) στην εν λόγω περιοχή. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων με δεδομένα παρατηρήσεων έδειξαν ότι το παραπάνω σχήμα υγρής εναπόθεσης βελτιώνει τη γενικότερη προγνωστική ικανότητα του μοντέλου καθώς περιορίζεται η υπερεκτίμηση στον υπολογισμό των συγκεντρώσεων σκόνης. Η επίδραση των σωματιδίων της σκόνης που δρουν ως πυρήνες συμπύκνωσης (Cloud Condensation Nuclei – CCN) μελετήθηκε μέσω της εισαγωγής του σχήματος πυρηνοποίησης των Fountoukis & Nenes (2005) σε ένα double moment σχήμα μικροφυσικής του WRF/Chem. Ομοίως με τους μηχανισμούς υγρής εναπόθεσης, το GOCART – AFWA δεν υποστηρίζει κάποιο σχήμα πυρηνοποίησης των προσομοιωμένων σωματιδίων σκόνης. Αντ’ αυτού, μια σταθερή αρχική συγκέντρωση CCN χρησιμοποιείται για την περαιτέρω χωροχρονική των CCN. Επιπλέον, η επίδραση των προσομοιωμένων CCN μέσω του σχήματος Fountoukis & Nenes (2005) σε μηχανισμούς ανωμεταφοράς (convection) έχει επίσης ληφθεί υπόψιν. Η παραπάνω επίδραση έχει εξεταστεί ακόμα και σε χωρικές αναλύσεις που ανήκουν στη λεγόμενη «γκρίζα ζώνη» (6 – 10 km). Σε ό,τι αφορά στην ανωτέρω «γκρίζα ζώνη», υπάρχει μια διχογνωμία στη διεθνή επιστημονική κοινότητα για το αν οι μηχανισμοί ανωμεταφοράς θα πρέπει να είναι ενεργοποιημένοι, καθώς υπάρχουν νεότερες μελέτες οι στις οποίες οι παραπάνω μηχανισμοί λαμβάνονται υπόψιν. Ωστόσο, δεν έχει συμπεριληφθεί μέχρι στιγμής η επίδραση των CCN που υπολογίζονται με δυναμικό τρόπο στους παραπάνω μηχανισμούς. Συγκρίσεις των προϊόντων του μοντέλου με παρατηρήσεις έδειξαν ότι η προγνωστική ικανότητα του μοντέλου σχετικά με την κατανομή του υετού βελτιώνεται σημαντικά. Αξιοσημείωτη είναι η θετική επίδραση του παραπάνω σχήματος πυρηνοποίησης ακόμα και ημέρες μετά την εκδήλωση της μεταφοράς σκόνης όπου η βροχόπτωση εμφανίζεται ενισχυμένη. Ενίσχυση βροχόπτωσης παρατηρείται και σε περιοχές μακριά από την εκδήλωση των φαινομένων σκόνης. Αντιθέτως, η βροχόπτωση περιορίζεται σε περιοχές και χρονικές περιόδους που δεν απέχουν σημαντικά από τα φαινόμενα μεταφοράς σκόνης. Επιπλέον, παρόλο που στη συγκεκριμένη διατριβή τα σωματίδια σκόνης δεν συμμετέχουν σε παραμετροποιήσεις πυρήνων πάγου (ice nuclei – IN), το εν λόγω σχήμα πυρηνοποίησης συμβάλλει σε μια ικανοποιητική απόκριση μεταξύ αναλογίας μείγματος νεφοσταγόνων και πάγου. Επιπλέον, σε ό,τι αφορά στις οπτικές ιδιότητες των σωματιδίων σκόνης, το σχήμα πυρηνοποίησης περιορίζει συστηματικά και μέσα τεταραγωνικά σφάλματα. Τέλος, οι συγκρίσεις των συγκεντρώσεων των CCN με μετρήσεις, έδειξαν ικανοποιητικότερους συντελεστές συσχέτισης μετά την εισαγωγή του σχήματος πυρηνοποίησης.